CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP VÀ VẬT LIỆU THÉP DÙNG CHO CẦU ------------------------ 1. TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP 1. Đặc điểm củavật liệu thép và cầu thép Thép là vật liệu hoàn chỉnh được dùng rộng rãi trong tất cả mọi ngành công nghiệp cũng như đời sống hàng ngày và trong ngành xây dựng cầu nói riêng. Thép có tính chịu lực cao với các loại ứng suất: kéo, nén, uốn, cắt…Có thể dùng để chế tạo tất cả các dạng cầu khác nhau: dầm, dàn, vòm, treo… và các hệ liên hợp.
Thép có trọng lượng riêng lớn, độ bền cao, trọng lượng bản thân nhẹ do đó có thể xây dựng được những cầu nhịp rất lớn. Thép có cường độ cao và mô đun đàn hồi lớn – độ cứng lớn, đảm bảo ổn định dưới tác dụng của tải trọng gió và các loại tải trọng có chu kỳ. Về mặt lí hóa, thép có tính đồng nhất cao, dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, cường độ và mô đun đàn hồi thay đổi ít nên cầu thường làm việc tốt trong điều kiện nhiệt độ của môi trường biến đổi. Về mặt chế tạo, thép dễ gia công, dễ cắt, rèn đập, đúc cán, hàn nên có thể chế tạo thành nhiều loại hình dạng thích hợp với đặc điểm các loại cầu khác nhau, đồng thời tạo khả năng công nghiệp hóa, tự động hóa chế tạo trong công xưởng nhà máy.
Thêm vào đó các bộ phận của cầu thép được vận chuyển từ nơi chế tạo đến công trường và công việc lắp ráp có thể cơ giới hóa triệt để, tạo điều kiện đẩy nhanh thời gian xây dựng công trình. Một đặc điểm quan trọng của cầu thép là có nhiều dạng liên kết đáng tin cậy như bu lông, chốt, đinh tán, hàn và dán. Các loại liên kết của thép đảm bảo tính lắp ghép cao, làm cho cầu dễ lắp, dễ tháo có thể dùng được trong các công trình vĩnh cửu, các công trình tạm và các công trình phục vụ quốc phòng. Ưu, khuyết điểm của cầu thép 1.
Ưu điểm Thép là loại vật liệu hoàn chỉnh nhất. Nó có tính đồng nhất, đẳng hướng, làm việc hoàn toàn đàn hồi trước khi đạt cường độ chảy, có cường độ chịu nén và chịu kéo cùng cao. Thép có độ dự trữ biến dạng và cường độ cao mà các vật liệu khác không có được do đó chịu được ổn định và tải trọng động tốt. Thời gian xây dựng cầu thép nhanh hơn cầu bêtông.
Nó có thể được lắp dựng dễ dàng qua sông, suối, thung lũng trong các điều kiện môi trường khác nhau nên giảm giá thành xây dựng. Kết cấu cầu thép có trọng lượng nhẹ nên làm giảm giá thành kết cấu phần dưới. Điều này càng có ý nghĩa khi gặp địa chất xấu, nền đất yếu. Kết cấu nhịp cầu thép có thể thiết kế với chiều cao thấp hơn cầu bê tông nên giảm được chiều cao kiến trúc khi sử dụng cầu vượt, cầu trên đường cao tốc… Cầu thép dễ sửa chữa và sửa chữa nhanh hơn cầu bêtông.
Khuyết điểm Gỉ của thép là vấn đề dai dẳng và tốn kém trong việc duy tu bảo dưỡng cầu. Đó là nguyên nhân chính dẫn đến phá hỏng cầu thép. Giá thành sơn cầu thép trong suốt thời gian phục vụ là rất lớn. Vấn đề cạo gỉ ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người.
Việc cạo sạch sơn cũ và thu gom các phế thải độc hại vô cùng đắt đỏ, đôi khi giá thành này lại lớn hơn việc bỏ cầu cũ và xây dựng cầu mới. Việc sơn cầu cũng gây nhiều vấn đề khác như làm ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của con người… Với những nhược điểm nói trên đã làm giảm sự hấp dẫn phần nào của cầu thép so với cầu bêtông ứng suất trước.Gỉ ở cầu thép Nam Ô, thành phố Đà Nẵng 1. Sơ lược lịch sử phát triển cầu thép 1. Cầu bằng gang Gang được sử dụng ở châu Âu để xây dựng các khẩu pháo và máy móc vào thế kỷ XVI, nhưng mãi đến cuối thế kỷ XVIII, trong bối cảnh của cuộc cách mạng công nghiệp đầu tiên, gang mới được sử dụng cho kết cấu [21].
Chiếc cầu vòm gang đầu tiên trên thế giới là cầu Coalbrookdale nổi tiếng ở hạt Shropshire, Anh, với nhịp dài 30. Cầu này được thiết kế bởi Thomas Pritchard và xây dựng bởi Darby và Wilkinson từ năm 1777 – 1779. Chất lượng của công trình 400 tấn gang này rất tốt, sau hơn 200 năm, cầu này vẫn tồn tại được cho đến bây giờ. Tuy nhiên, cầu Coalbrookdale được xây dựng với những khái niệm của cầu truyền thống bằng đá, như hình dạng vòm bán nguyệt và cấu trúc trên vòm.
Thomas Telford đã nhận ra rằng nhờ tính chất đặc biệt của gang như trọng lượng nhẹ và cường độ cao có thể cho phép vượt nhịp lớn hơn và phẳng hơn vòm. Năm 1796 ông đã xây dựng cầu Buildwas qua sông Severn ở Shropshire với nhịp vòm 40 m. Cầu Coalbrookdale ở Shropshire, Anh (1777-1779) Trước đó, Tom Paine đã thiết kế cầu bằng gang với nhịp 122m bắc qua sông Schuylkill ở Philadelphia, đặt hàng từ Yorkshire, Anh. Tuy nhiên, dự án bị đình trệ và khối lượng gang đó đã được dùng để xây dựng cầu dài 72m bắc qua sông Wear ở Sunderland cùng thời điểm với cầu Buildwas.
Những cầu này đã mở đường cho rất nhiều cầu bằng gang khác trong hai thập kỷ đầu của thế kỷ XIX ở Anh và Pháp. Năm 1814 Thomas Telford đã đề xuất cầu treo bắc qua sông Mersey ở Runcorn với nhịp chính 1000ft (305m) và hai nhịp biên dài 500ft. Telford hợp tác với Samuel Brown đã tiến hành thí nghiệm với sắt rèn và quyết định rằng cáp làm từ sắt rèn có thể sử dụng với ứng suất làm việc là 5 tấn trên một inch vuông (77N/mm2), so với ứng suất làm việc của gang chỉ 1. Cầu Mersey đã không thành hiện thực.
Tuy nhiên, đề xuất giúp nâng cao hợp tác giữa Anh và Ireland. Sau đó là yêu cầu một chiếc cầu bắc qua eo biển Menai và Telford đã đề xuất cầu treo dây võng với nhịp chính dài 177m vào năm 1817. Công trình bắt đầu vào năm 1819 và đến năm 1826 chiếc cầu treo bằng gang đầu tiên trên thế giới được hoàn thành. Đây cũng là cây cầu đầu tiên trên thế giới bắc qua biển.
Telford cũng xây dựng cầu dây võng nhịp 100m ở Conway cùng thời điểm này. Sự thành công với hai cây cầu này mang lại một kỷ nguyên mới đối với cầu nhịp lớn. Cầu dây võng bắc qua eo biển Menai, Wales (1819-1826) Tại Hoa Kỳ, việc xây dựng đường sắt bắt đầu vào đầu những năm 1830. Những cây cầu đường sắt đầu tiên được cấp bằng sáng chế chủ yếu là các loại cầu giàn với phần tử nén bằng gỗ và phần tử chịu kéo bằng sắt rèn.
Kế tiếp theo đó là hệ thống giàn liên hợp bởi những phần tử nén bằng gang đúc và phần tử chịu kéo bằng sắt rèn.Loại thứ hai là dạng cầu gỗ với hình dáng vòm cong thoải được tăng cường bởi hệ giàn thanh chéo bằng sắt, đây là dạng sử dụng đầu tiên của sắt vào cầu nhịp lớn ở Mỹ. Trong năm 1848 John Ellet đã xây dựng cầu dây võng với nhịp chính dài 308m qua sông Ohio ở Wheeling, West Virginia. Vào tháng giêng năm 1854,cầu này bị sụp đổ trong một trận bão do sự dao động khí động học. Roebling đã nhận ra rằng sự phá hủy của cầu Wheeling là do sự thiếu ổn định chứ không phải do thiếu cường độ.
Ông cũng nghiên cứu về sự sụp đổ của cầu dây võng vào năm 1850 ở Angers, Pháp dưới một trung đoàn hành quân và ở Licking, Kentucky vào năm -9- 1854 dưới một xe ngựa chở nước.Cầu Grand Trunk của ông ở Niagara với nhịp chính 250m và có hai tầng, tầng trên cho đường sắt và tầng dưới cho đường bộ; giàn tăng cường cao 5.5m được làm bằng gỗ giữa hai bản mặt cầu, đây là dạng dầm tăng cường đầu tiên sử dụng cho cầu dây võng. Hệ mặt cầu được chống đỡ bởi bốn cáp chủ đường kính 10inch (254mm) bao gồm nhiều sợi sắt rèn song song nhau được bện lại với nhau và cùng chịu kéo. Đây là sự ra đời của cầu treo hiện đại, mà phải được xếp hạng là một trong những phát minh vĩ đại của lịch sử. Bản mặt cầu được chống đỡ bởi tháp cầu thông qua 64 dây treo.
Cầu này được hoàn thành vào năm 1855. Roebling đã chứng minh rằng cầu dây võng có thể mang đường sắt và chứng tỏ tính kinh tế hơn việc xây dựng bằng dầm hộp được xây dựng ở Menai sau đó. Cầu Grand Trumk, Niagara 1. Cầu thép Vào nửa sau của thế kỷ XIX thép đã được phát triển và bắt đầu thay thế gang đúc trong kết cấu.
Kỹ thuật sử dụng khí nén để hạ móng giếng chìm dưới nước cũng đã được phát triển [21]. Vào năm 1855 – 1859 Brunel xây cầu Cheptow qua sông - 10 - Wye và cầu Saltash qua sông Tamar cho đường sắt. Chúng là sự kết hợp của kết cấu dạng vòm và treo. Ngoài ra ở Đức, một số cầu đường sắt được xây dựng vào nửa sau của thế kỷ này phải kể đến; hai cầu ở Koln vào năm 1859, với bốn nhịp dài 103m; cầu ở Mainz xây vào năm 1882 với bốn nhịp dài 105m.
Ở Mỹ, sau kết thúc cuộc nội chiến và sự phát triển xây dựng đường sắt làm cho nhu cầu xây dựng cầu lớn lên. Trước nhu cầu kết nối đường sắt ở bang Illinois qua sông Mississippi. Eads đã đề xuất xây dựng một cầu vòm kiểu giàn với một nhịp 159m và hai nhịp 153m bằng thép. Cầu này mang hai làn đường sắt ở tầng 1 và đường bộ ở phía trên và cho đến nay vẫn còn được sử dụng.
Năm 1867 John Roebling và con trai Washington bắt đầu xây dựng cầu Brooklyn qua sông Đông kết nối Manhattan và Brooklyn, New York. Với nhịp dài 487m gần gấp đôi những cầu nhịp dài nhất trước đó và nó phải mang hai làn đường sắt, hai làn xe điện, đường bộ và lề đường bộ hành. Kết cấu duyên dáng nhưng mạnh mẽ của cầu Brooklyn là mốc thành tích, tầm nhìn và sự quyết tâm của con người. Cầu Brooklyn, New York (1867-1883) - 11 - Nửa sau của thế kỷ XIX chứng kiến những tiến bộ lớn trong vật liệu, máy móc và lý thuyết xây dựng.
James Clerk Maxwell, Rankine và các giáo sư xây dựng khác đã phát triển lý thuyết phân tích cáp dây võng, dầm giàn, mômen uốn và lực cắt trong dầm, tính toán độ võng và sự mất ổn định thanh nén. Những phát triển này và sự không phù hợp của cầu dây võng cho đường sắt dẫn đên sự phát triển mạnh của cầu giàn dạng mút thừa, dẫn đầu là cầu Forth nỗi tiếng dành cho đường sắt, cầu này được hoàn thành vào năm 1890.
